浅谈物体受力图绘制中的问题与对策
把被研究的物体从与它有联系的周围物体中分离出来,单独画出它的简明图形,这一过程叫取分离体或取研究对象,然后把作用在分离体上的所有主动力和约束反力都画出来,由此得到的表示物体受力情况的简明图形称为该物体的受力图。
绘制受力图的过程就是对研究对象进行受力分析的过程,受力图画不正确,说明不会进行正确的受力分析,不只是学不好本课程,还会影响后续课程的学习。因此,学会画受力图是解决力学问题的第一步,也是关键的一步。然而尽管教材中或课堂上已明确告知学生受力图的画法以及画受力图时应注意的问题。但学生在这个环节的学习当中还是存在不少问题。笔者针对这些问题,分析了原因,并出了一些对策,并且认为这些对策是有效的。
问题一:画物体的受力图就是画某点的受力图。
例如:在图1(a)中画出轮O(不计自重)的受力图。学生常常会出现图1(b)这样的问题,把轮O当成一点。
《工程力学》的静力学部分,讨论的是物体在力系作用下的平衡规律。为了研究问题的方便,常常把工程上所有物体当作一种理想的模型———刚体(即在力系作用下不变形的物体)来处理,不是把他们当成质点(有质量的点)来处理。而刚体要考虑物体的大小和形状,质点恰恰要忽略物体的大小和形状。如果学生的力学思维仍停留在中学阶段(中学物理接触过质点的概念),就必定会出现上述错误。
对策:
取分离体时,必须把被研究物体的简明轮廓画出来。如图1(c)的画法才是正确的。
问题二:画不全约束反力。
例如:图1中,假设所有接触面都是光滑的,画出杆AB的受力图。学生往往会象图
分析原因:
学生没有理解“力”出现的方式,力是物体与物体之间相互的机械作用,这种作用除了“场力”、“万有引力”等两物体可以不相互接触以外,其他力都是以两物体直接接触而产生的。没有理解这点,就很容易漏画约束反力。
对策:
判断物体受了多少个约束力,可从被研究的对象与其周围的物体有多少个接触点入手。图1(a)中杆AB与其周围的物体有三个接触点,分别是A、B1、B2。所以杆AB受到三个约束反力分别为T、NB1、NB2。如图2(b)所示。
问题三:不会借助于“二力构件”。
例如:图3(a)中各杆自重不计,画出杆AC的受力图。学生按照绘图步骤往往绘制出象图3(b)这样的图。
分析原因:
图3(b)表示的受力图,虽然不算错误,但欠妥。因为在后面章节学习中,如果要求计算杆AC所受的约束反力。图中就会出现了四个未知力Fcx、Fcy、Fbx、Fby。而平面任意力系最多只能列出三个独立的方程。未知力的个数超过所例独立方程数目。未知力将不能全部求出。所以图3(b)中的画法欠妥。
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